基于FBG傳感的周界圍欄報警系統(tǒng)的設計

　　摘要：傳統(tǒng)的周界安防或圍欄報警系統(tǒng)（如主動紅外對射、微波對射、泄漏電纜、振動電纜、電子圍欄、電網(wǎng)等）雖為安全技術防范做出了一定的貢獻，然而受一些客觀技術條件等因素所限，也存在著一定的缺陷，如誤報、漏報現(xiàn)象時有發(fā)生。為解決此問題，國內外學者競相研究光纖圍攔傳感技術。本文介紹FBG傳感器的原理與優(yōu)點，基于FBG傳感的周界圍欄報警系統(tǒng)的組成及工作原理，波長移動解調，多處侵入定...

　　傳統(tǒng)的周界安防或圍欄報警系統(tǒng)（如主動紅外對射、微波對射、泄漏電纜、振動電纜、電子圍欄、電網(wǎng)等）雖為安全技術防范做出了一定的貢獻，然而受一些客觀技術條件等因素所限，也存在著一定的缺陷，如誤報、漏報現(xiàn)象時有發(fā)生。為解決此問題，國內外學者競相研究光纖圍攔傳感技術。本文介紹FBG傳感器的原理與優(yōu)點，基于FBG傳感的周界圍欄報警系統(tǒng)的組成及工作原理，波長移動解調，多處侵入定位與入侵模式特征等。經(jīng)實驗證明，系統(tǒng)可靠，達到了預期的目的。

　　引言

　　多年來，傳統(tǒng)的周界安防或圍欄報警系統(tǒng)(如主動紅外對射、微波對射、泄漏電纜、振動電纜、電子圍欄等)雖為安全技術防范做出了一定的貢獻。但是，受一些客觀技術條件等因素所限，也存在著一定的缺陷：如主動紅外對射的圍欄報警系統(tǒng)，適應環(huán)境的能力差，易受地形條件的高低、曲折、轉彎、折彎等環(huán)境限制，而且它們不適合惡劣氣候，容易受高溫、低溫、強光、灰塵、雨、雪、 霧、霜等自然氣候的影響，易出現(xiàn)誤報率;再如泄露電纜、振動電纜、電子圍欄、電網(wǎng)等圍欄報警系統(tǒng)，均屬于有源的電傳感，系統(tǒng)功耗很大。此外，電子圍欄、電網(wǎng)等具有一定危害性;還易受電磁干擾、信號干擾、串擾等，使靈敏度下降、誤報率、漏報率(如覆蓋上電絕緣物翻過電圍欄)上升。

　　與上述周界安防或圍欄報警系統(tǒng)相比，利用新型光纖傳感技術做成的周界安防或圍欄報警系統(tǒng)具有明顯的技術優(yōu)勢：

　　· 抗電磁干擾，電絕緣性好、安全可靠，耐腐蝕、化學性能穩(wěn)定，因而完全不受雷電影響，能在惡劣的化學環(huán)境、野外環(huán)境及強電磁干擾等場所下工作;

　　· 體積小、重量輕，幾何形狀可塑，傳輸損耗小，傳輸容量大，具有非常好的可靠性和穩(wěn)定性;

　　· 不僅能發(fā)現(xiàn)外界的擾動，而且可確定外界擾動的位置，系統(tǒng)具有成本低、結構簡單、便于擴展與安裝容易;

　　· 無輻射、無易燃易爆材料，既防水又環(huán)保;

　　· 能源依賴性低，可大大節(jié)省供電設備與線路的成本，適合長距離使用;

　　· 可根據(jù)被測對象的情況選擇不同的檢測方法，再加上其對被測介質影響小，所以它非常有利于在結構檢測等具有復雜環(huán)境的領域中應用等。

　　光纖周界圍欄報警系統(tǒng)，可利用三種方法來實現(xiàn)：一是光時域反射(OTDR)技術;二是光纖干涉型光纖傳感器;三是FBG分布式光纖傳感器。

　　近年來，光纖光柵是發(fā)展最為迅速、應用最為廣泛的光纖無源器件之一。由于它的敏感變化參量為光的波長，因而不受光源、傳輸線路損耗等因素所引起的對光強度變化的干擾，并且它易與系統(tǒng)及其他光纖器件連接而便于構成分布式傳感系統(tǒng)，因此可實現(xiàn)實時測量和分布式測量。由于FBG具有優(yōu)良的溫度和應變響應特性，因而可用來制成應力、壓力、振動、火災與溫度等傳感器，尤其方便用于周界安防及圍欄入侵報警系統(tǒng)中，所以它在國家與人民安全以及反恐斗爭中將具有極大的實際意義和社會意義。

　　FBG傳感器原理及優(yōu)點

　　FBG(Fiber Bragg Grating)是衍射光柵概念的發(fā)展，其衍射是由光纖內部折射率的變化實現(xiàn)的。FBG于1978年問世，它利用摻雜(如鍺、磷等)光纖的光敏性，通過紫外寫入的方法使外界入射光子和纖芯內的摻雜粒子相互作用，導致纖芯折射率沿纖軸方向周期性或非周期性的永久性變化，在纖芯內形成空間相位光柵(如圖1)。圖中，F(xiàn)BG的周期Λ一般小于1μm。

圖1 均勻周期FBG的結構

　　FBG傳感的基本原理如圖2所示。當一束光送進FBG時，根據(jù)光柵理論，在滿足Bragg條件的情況下，就會發(fā)生全反射，其反射光譜在Bragg波長處出現(xiàn)峰值。光柵受到外部物理場(如應力應變、溫度等)的作用時，其柵距Λ隨之發(fā)生變化，從而改變了后向反射光的波長。根據(jù)ΔλB變化的大小就可以確定待測部位相應物理量的變化。

圖2 FBG傳感原理

　　FBG好像一個窄帶的反光鏡，只反射一個波長而透射其余的波長。被反射的波長稱為Bragg波長，滿足光纖光柵的Bragg方程式，即滿足條件

　　λB=2neffΛ (1)

　　式中，∧為Bragg光柵周期;neff為反向耦合模有效折射率。該方程式為光纖光柵在外界作用下Bragg波長的傳感響應提供了理論工具，即任何使這兩個參量發(fā)生改變的過程，都將引起光柵Bragg波長的移位。因此，常見的FBG傳感器，就是通過測量布拉格波長的移動(或漂移)而實現(xiàn)對被測量的檢測的。

　　在所有引起光柵Bragg波長移位的外界因素中，最直接的是應力、應變參量。因為無論是對光柵進行拉伸或擠壓，都將導致光柵周期∧的變化，并且光纖本身所具有的彈光效應，使得有效折射率也隨著外界應力狀態(tài)的變化而改變。據(jù)此，可用光纖Bragg光柵制成靈敏的光纖傳感器。其中，應力引起光柵Bragg波長的移位可以由下式統(tǒng)一描述

　　ΔλB=2neffΔΛ+2ΔneffΛ (2)

　　式中，ΔΛ為光纖本身在應力作用下的彈性形變;Δneff為光纖的彈光效應。不同的外界應力狀態(tài)將導致ΔΛ和Δneff的不同變化。因此，只要檢測到反射信號中光柵Bragg波長的移位ΔλB，即可檢測到待測傳感量的變化。

　　從彈光效應的角度來看，光纖光柵對縱向壓力較橫向壓力更為敏感。綜合彈光和波導兩種效應，光纖光柵對于均勻橫向應力的靈敏度較縱向伸縮要小，因而在復雜應力情況下，由縱向壓力引起的波長移位將會占主要地位。

　　若只考慮軸向應變(即縱向壓力)時，則引起中心波長位移的相對變化為

　　式中， 為光纖光柵應變靈敏度系數(shù)， 為軸向應變。由式(3)可看出，反射波長的變化與應變應力成正比。也就是說，由反射波長的變化可以得到相應的應變力。

　　外界溫度的改變，同樣也會引起光纖光柵Bragg波長的移位。從物理本質看，引起波長移位的原因主要有：光纖熱光效應、光纖熱膨脹效應、光纖內部熱應力引起的彈光效應。從光柵Bragg方程式(1)出發(fā)，當外界溫度改變時，對式(2)展開，可得溫度變化ΔT時所引起的光纖光柵Bragg波長的移位。通過理論推導證實，當材料確定后，光纖光柵對溫度的靈敏度系數(shù)基本上是與材料系數(shù)相關的常數(shù)。因此，對于純熔融石英光纖，當不考慮外界因素的影響時，其溫度靈敏度系數(shù)基本上取決于材料的折射率溫度系數(shù)，而彈光效應與波導效應將不對光纖光柵的波長移位造成顯著影響。故可得下列表達式，即

　　式中，αn為熱光系數(shù);αΛ為線性熱膨脹系數(shù)。對于熔融石英光纖，αn=0.86×10-5/oC，而αΛ=5.5×10-7/oC。

　　由式(4)可看出，反射波長的變化與溫度變化ΔT也成正比。即由反射波長的變化可以得到相應的溫度。對1.55μm波長，可得到單位溫度變化下引起的波長移位為10.8pm/oC。

　　光纖光柵傳感器除具有一般光纖傳感器的優(yōu)點外，還具有下列優(yōu)點：

　　· 抗干擾能力更強，有很高的可靠性和穩(wěn)定性;

　　· 測量靈敏度高、分辨率高、精度高，具有良好的重復性;

　　· 動態(tài)范圍大、線性好，能自定標，可用于對外界參量的絕對測量;

　　· 能在同一根光纖內集成多個傳感器復用，便于構成各種形式的光纖傳感網(wǎng)絡;

　　· 便于遠距離監(jiān)測橋梁等建筑物，便于作成智能傳感器，而應用廣泛;

　　· 結構簡單、壽命長，便于維護保養(yǎng)、便于擴展與安裝;

　　· 光柵的寫入工藝成熟，便于形成規(guī)模生產等。